Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych

Transkrypt

1 XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r. Tadeusz Knych, Artur Kawecki, Andrzej Mamala, Paweł Kwaśniewski, Grzegorz Kiesiewicz, Beata Smyrak, Eliza Sieja-Smaga AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych Streszczenie W pracy przedstawiono nową koncepcję napowietrznych przewodów elektroenergetycznych wykorzystujących rdzenie nośno-przewodzące wykonane ze stopów Cu-Ag charakteryzujących się zespołem wysokich własności wytrzymałościowych i elektrycznych (R m >1000MPa, >75%IACS). Nowe rodzaje przewodów umożliwiają przesył energii elektrycznej w temperaturze roboczej do 150ᵒC w warunkach istotnie podwyższonej obciążalności prądowej w porównaniu do obecnie stosowanych typów przewodów. Proponowane rozwiązanie umożliwia obniżenie strat przesyłu energii elektrycznej do 40% w zależności od zastosowanego typu przewodu. Charakterystyka przewodów elektroenergetycznych Historycznie pierwsze przewody elektroenergetyczne do linii napowietrznych wykonywano z miedzi. Jednakże od początku wieku XX, gdy miedź stała się pierwiastkiem strategicznym, do linii napowietrznych wkroczyło aluminium. Sukces aluminium w elektroenergetyce napowietrznej był możliwy z jednej strony dzięki opracowaniu w końcówce XIX wieku tańszej metody Halla-Heroulta otrzymywania tego metalu przez elektrolizę, z drugiej zaś dzięki cechom fizykochemicznym aluminium, predestynującym ten materiał jako surowiec przewodów do linii napowietrznych. Masowe zastosowanie aluminium napotkało jednak szybko na barierę związaną z ograniczoną wytrzymałością mechaniczną i skłonnością do pełzania tego materiału i w efekcie zaczęto wzmacniać przewody stalą. Zbiegło się to z opracowaniem technologii wytwarzania wysokowytrzymałych stalowych drutów patentowanych. W ten ewolucyjny sposób ponad 100 lat temu powstały dominujące w liniach napowietrznych do dziś przewody stalowo-aluminiowe. Przewody stalowoaluminiowe pomimo szeregu zalet posiadają również istotne mankamenty wynikające z dużego ciężaru, słabej przewodności elektrycznej, dużej podatności na korozję i skłonności magnesowania stalowego rdzenia nośnego. Te mankamenty stanowiły genezę próby powrotu do rozwiązań mono-materiałów takich jak przewody miedziane, czy aluminiowe. W efekcie powstały jednorodne przewody ze stopów aluminium wykorzystujące zaletę niskiej gęstości materiału, a równocześnie o bardzo wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Obecnie na dużą skalę do linii napowietrznych wdraża się przewody o konstrukcjach specjalnych. Są to przewody wysokotemperaturowe, które umożliwiają podwyższenie zdolności przesyłowych linii. 67

2 T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych Tradycyjne rozwiązania przewodowe Analizując budowę tradycyjnych przewodów napowietrznych rodzi się pytanie, co zdecydowało o sukcesie przewodów stalowo-aluminiowych pomimo faktu, że mają one niższą rezystancję niż przewody miedziane czy aluminiowe. Niebagatelnym czynnikiem jest oczywiście cena miedzi, lecz równocześnie cena samych przewodów to jedynie ok. 10% całkowitych kosztów budowy linii. Łatwo analizę taką przeprowadzić wiedząc, że zwis przewodu napowietrznego wynosi: gdzie: f - zwis a -rozpiętość przęsła g - ciężar objętościowy przewodu - naprężenie naciągu a 2 g f (1) 8 Zwis przewodu jest zatem tym większy, im większa jest rozpiętość przęsła, im większy jest ciężar objętościowy przewodu i im niższe panuje w nim naprężenie naciągu. Zwis przewodu w przęśle zmienia się w czasie pod wpływem zmiany natężenia prądu, warunków klimatycznych oraz charakterystyk samego przewodu. Krytycznym zagadnieniem eksploatacyjnym jest zachowanie kryterium dopuszczalnego zakresu zwisów. Przewody napowietrzne wysokiego napięcia to przewody gołe, których izolacją jest otaczające je powietrzne. Wymusza to ściśle określone normami odstępy izolacyjne, co oznacza, że do linii napowietrznych przewód jest tym lepszy im jest lżejszy i im bardziej wytrzymały. Na tej kanwie wprowadzono współczynnik efektywności mechanicznej przewodu będący stosunkiem wytrzymałości na rozciąganie do gęstości (por. wzór 2). Zauważmy, że w rzeczywistości jest to odwrotność ekstremalnej dla danego przewodu wartości g / z równania (1), w której UTS W istocie reprezentuje to długość przewodu (wyrażoną w kilometrach), przy której pionowo ułożony w przestrzeni i umocowany w górnym końcu przewód zerwie się pod własnym ciężarem. C eff UTS gdzie: C - współczynnik efektywności eff UTS - wytrzymałość na rozciąganie - gęstość (2) Wartość współczynnika Ceff dla przewodów miedzianych wynosi ok. 4,5 km, dla przewodów z aluminium 6,5 km, dla przewodów stalowo-aluminiowych 8,5-9,5 km a dla przewodów ze stopów aluminium nawet 11 km. Rozpatrując na tym tle wzór na zwis przewodu w przęśle zauważa się, że przewody miedziane są zbyt ciężkie do masowego wykorzystania w liniach napowietrznych. W celu uzyskania odpowiedniego zwisu wymagają bardzo wysokich naprężeń, a to z kolei przekłada się na konieczność budowy bardziej masywnych słupów lub zmniejszenia odległości między nimi i w znaczący sposób podnosi koszty budowy całej linii (koszt słupów i fundamentów to ok 50% kosztów budowy całej linii). W efekcie sukces osiągnęły rozwiązania przewodowe na bazie aluminium. 68

3 XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r. Tradycyjne rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe przewodów stosowane na skalę masową mocno ograniczają zdolności przesyłowe linii napowietrznych, co wobec wzrastającego zapotrzebowania na energię może prowadzić nawet do kryzysów energetycznych typu blackout, powodowanych niewystarczającą przepustowością systemu. Dyskutowane ograniczenia wynikają z jednej strony ze zbyt niskiej temperatury roboczej klasycznych przewodów fazowych, z drugiej zaś z uwarunkowań środowiskowych, przestrzennych, gospodarczych i historycznych, w szczególności zaś z parametrów techniczno-konstrukcyjnych samych przewodów oraz konstrukcji wsporczych. Zdolności przesyłowe najczęściej zwiększa się poprzez wzrost obciążalności prądowej linii, dzięki wykorzystaniu przewodów wysokotemperaturowych. Przewody wysokotemperaturowe Przewody wysokotemperaturowe to przewody o budowie złożonej, posiadające rdzeń o charakterze nośnym oraz warstwy zewnętrzne przewodu (wykonane z odmiennych niż rdzeń materiałów), decydujące w głównej mierze o jego własnościach elektrycznych. Na rdzenie wykorzystuje się stal, inwar lub kompozyty włókniste na osnowie polimerowej lub metalowej, zaś na warstwy zewnętrzne wykorzystuje się specjalne stopy aluminium o podwyższonej odporności cieplnej w stanie twardym (najczęściej stopy Al-Zr) lub technicznie czyste aluminium w stanie miękkim (po rekrystalizacji). Pomimo znacznej różnorodności konstrukcyjnej przewody wysokotemperaturowe posiadają wspólną koncepcję eksploatacji, wynikającą z różnicy w rozszerzalności cieplnej materiału rdzenia i materiału warstw zewnętrznych, przy czym rozszerzalność cieplna rdzenia jest istotnie niższa niż rozszerzalność cieplna warstw zewnętrznych. Ponieważ przewód w linii napowietrznej przenosi w sposób ciągły obciążenie mechaniczne (które można oszacować z równania stanów) w niskich temperaturach część tego obciążenia przenosi rdzeń, część zaś warstwy zewnętrzne. Skutkiem zróżnicowania w rozszerzalności cieplnej składników przewodu w pewnej temperaturze dochodzi do zluźnienia warstw zewnętrznych i całość obciążenia mechanicznego zaczyna przenosić wyłącznie rdzeń. Ponieważ rozszerzalność cieplna rdzenia jest mniejsza niż przewodu jako całości, gdy pracuje on w niższych temperaturach, dalszy przyrost zwisu w funkcji temperatury jest mniejszy. Opisane zjawisko nosi nazwę załamania charakterystyki (knee point) zwis-temperatura wiszącego przewodu. Z punktu widzenia kształtowania zwisów przewodów wysokotemperaturowych zmierza się do tego, aby opisany wyżej punkt załamania charakterystyki występował przy możliwie najniższych temperaturach, a ponadto aby przewód posiadał możliwie niską masę liniową, zaś jego rdzeń możliwie niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Zaprezentowany fenomen transformacji obciążenia mechanicznego obecnego we wszystkich drutach przy temperaturach poniżej załamania charakterystyki zwis-temperatura przewodu do drutów rdzenia powyżej załamania charakterystyki zwis-temperatura, może w praktyce zostać zrealizowany na różne sposoby. Znane są przewody wysokotemperaturowe typu TACSR (Thermal resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced), których budowa jest bardzo zbliżona do konwencjonalnych przewodów stalowo-aluminiowych. Różnica polega na wprowadzeniu w miejsce drutów aluminiowych drutów ze specjalnego stopu aluminium o wysokiej odporności termicznej. Technologię wytwarzania oraz skład chemiczny materiałów tego typu opisano m.in. w patencie US4,182,640, zaś ich własności regulują wymagania normy EN Udział części stalowej i części ze stopu aluminium w przewodach TACSR ustala się w taki sposób, aby obniżyć temperaturę, przy której następuje załamanie charakterystyki zwis temperatura. Ulepszeniem takiego rozwiązania są przewody TACIR (Thermal resistant Aluminium Conductor Invar Reinforced), które posiadają budowę podobną jak przewody TACSR, z tą jednak różnicą, że rdzeń nie jest wykonany ze stali lecz z inwaru, który posiada zdecydowanie niższy niż stal współczynnik rozszerzalności cieplnej. Dzięki temu załamanie charakterystyki zwis-temperatura przewodu występuje przy niższych temperaturach. Zarówno inwar jak i stal posiadają wysokie gęstości. Tendencja do obniżenia masy liniowej 69

4 T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych przewodu zaowocowała opracowaniem przewodów typu ACCR (Aluminium Conductor Copmposite core Reinforced), wg patentu US6,180,232, w których miejsce ciężkich rdzeni zajęły lekkie i wysokowytrzymałe kompozyty z włókien Al 2 O 3 w osnowie aluminium, zaś warstwy przewodzące wykonano z odpornego termicznie stopu aluminium. Alternatywną i bardziej skuteczną koncepcją obniżenia masy jednostkowej przewodu są przewody typu ACCC (Aluminium Composite Core Conductors) posiadające rdzenie nośne z super lekkich kompozytów z włókien węglowych i szklanych na osnowie żywicy polimerowej. Równocześnie jako druty warstwy czynnej elektrycznie wykorzystano aluminium w stanie miękkim. Przewody takie są przedmiotem patentu US7,438,971. Miękkie aluminium wykorzystują również przewody typu ACSS, o budowie zbliżonej do konwencjonalnych przewodów aluminiowych z rdzeniem stalowym, przy czym różnica między analizowanymi przewodami tkwi w stanie drutów aluminiowych. Własności takich przewodów regulują normy ASTM B856 i EN Odmienną koncepcję przyjęto przy opracowaniu przewodów typu GTACSR (Gap type Thermal resistant Aluminium Conductors Steel Reinforced). Walory eksploatacyjne tego typu rozwiązań kryją się w specjalnej technice ich montażu, podczas którego siłę naciągu wprowadza się wyłącznie do rdzenia nośnego, podczas gdy warstwy przewodzące są odciążone. Tym sposobem przesuwa się punkt załamania charakterystyki zwis - temperatura do temperatury montażu. W przewodach GTACSR część czynna elektrycznie i nośna rozdzielone są specjalną szczeliną wypełnioną najczęściej odpowiednim smarem. Własności tych konstrukcji reguluje norma IEC Problematyka strat przesyłu energii elektrycznej Przesył energii elektrycznej z wykorzystaniem technologii tradycyjnych (bez nadprzewodników) wiąże się w naturalny sposób z generowaniem pewnych strat przesyłu związanych z niezerową rezystancją przewodów. Chociaż procentowy udział tych strat w stosunku do całości transmitowanej energii nie wydaje się wielki (globalne straty nie przekraczają 8%) to nominalnie wiąże się ze znaczącymi stratami finansowymi. Dla przykładu, w USA koszt rocznych strat przesyłu energii w systemie elektroenergetycznym to ok. 20 bilionów dolarów. Problem jest również istotny w Europie. W ostatnich latach Unia Europejska zatwierdziła długofalowy pakiet klimatycznoenergetyczny 3x20. Dominującym emitentem CO 2 w Polsce jest właśnie sektor elektroenergetyczny, ponieważ produkcja energii elektrycznej wykorzystuje paliwa kopalne. Dla ilustracji skali problemu warto zwrócić uwagę, że przy produkcji 1MWh powstaje ok. 0,8tony CO 2. Powyższy problem leży u podstaw prac zmierzających do modernizacji systemów elektroenergetycznych w sposób umożliwiający redukcję strat przesyłu, a poprzez to również zmniejszenia emisji CO 2. Równocześnie inne organizacje elektroenergetyczne również uruchomiły prace nad poprawą efektywności energetycznej systemów elektroenergetycznych. Warto wspomnieć tutaj np. program 172 EPRI: Efficient Transmission Systems: Transmission System Loss Evaluation, Reduction: Technical and Economic Assessment. Straty przesyłu stanowią jeden z ważniejszych czynników eksploatacyjnych linii napowietrznych o charakterze ekonomicznym. Straty oblicza się na ogół dla konkretnych linii w oparciu o ich rzeczywisty profil termiczny. Przy uogólnieniu zagadnienia, globalne straty przesyłu szacuje się z powszechnie znanej zależności (3): 2 ii RT LLF PL gr (3)

5 XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r. gdzie: PL - straty energii przy przesyle w kw/km i - ilość faz w linii 3 I - obciążalność prądowa przewodu w A R - rezystancja liniowa przewodu w temperaturze granicznej roboczej w Ω/km T gr LLF - czynnik strat. Czynnik strat LLF należy rozumieć jako stosunek całkowitych strat linii w ciągu roku i maksymalnych możliwych strat w tym samym okresie przy założeniu pełnego obciążenia prądowego linii przez cały czas. Jak więc łatwo zauważyć, w praktyce, czynnik strat zawsze będzie mniejszy od jedności i opisywany jest zależnością (4): LLF k 2 1LF k2lf gdzie: k 1 0,2 i k 2 0,8 Czynnik obciążenia wynosi (5): LF 0,5 - stałe Czynnik obciążenia rozumiany jest jako stosunek całkowitej energii przesyłanej linią odniesionej do maksymalnej energii, jaką przesłać może linia przy założeniu pełnego obciążenia prądowego i w praktyce jest również niższy od jedności, a przeciętnie w typowych liniach napowietrznych jest bliski 0,5. (4) (5) Nowa idea nisko-stratnych przewodów elektroenergetycznych Analizując eksploatacyjne koszty strat przesyłu energii łatwo zauważyć, że na przestrzeni wieloletniego okresu eksploatacji ich wartość jest wielokrotnie większa niż wartość stosowanych w liniach przewodów elektroenergetycznych. To stało sie punktem wyjścia do koncepcji opracowywania nowych rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych przewodów umożliwiających redukcję strat przesyłu. a) b) c) d) Rys. 1. Widok ogólny budowy przewodów typu: a) ACCAS, b) AAC, c) ACSR, d) AAAC 71

6 T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych W zakresie przewodów tradycyjnych przejawia się to wprowadzaniem przewodów jednorodnych ze stopów aluminium o podwyższonej przewodności (High Conductivity i Extra High Conductivity). Przewody tego typu umożliwiają obniżenie strat przesyłu, ale nie dają możliwości istotnego podwyższenia obciążalności prądowej. Z drugiej strony, przewody wysokotemperaturowe, które pozwalają podwyższyć obciążalność prądową generują zdecydowane podwyższenie strat przesyłu. Wynikają one z wyższej maksymalnej, a co ważniejsze, również średniej temperatury przewodu. Wraz ze wzrostem temperatury podwyższa się bowiem również rezystywność materiału. Istotnym mankamentem są również nieprzewodzące lub słabo przewodzące rdzenie nośne przewodów temperaturowych. Powyższe problemy stały się podstawą do opracowania nowej koncepcji napowietrznych przewodów elektroenergetycznych, które zorientowane byłyby na minimalizację strat przesyłu energii. Proponowane przewody ACCAS (Aluminium Conductor Copper Alloy Supported) wykorzystują rdzenie nośno-przewodzące wykonane ze stopów Cu-Ag charakteryzujących się zespołem wysokich własności wytrzymałościowych i elektrycznych (R m >1000MPa, >75%IACS) oraz warstwę wyłącznie przewodzącą, opartą na aluminium w stanie miękkim. Nowe rodzaje przewodów umożliwiają przesył energii elektrycznej w temperaturze roboczej do 150 C w warunkach istotnie podwyższonej obciążalności prądowej, w porównaniu do obecnie stosowanych typów przewodów. Proponowane rozwiązanie (zgłoszenie patentowe) umożliwia obniżenie strat przesyłu energii elektrycznej do 40% w stosunku do alternatywnych rozwiązań przewodów wysokotemperaturowych [4, 5]. Widok ogólny proponowanego przewodu na tle innych istniejących konstrukcji przewodowych przedstawiono na rys. 1. Typowy ACSR (Aluminium Conductors Steel Reinforced) ACCAS (Aluminium Conductor Copper Alloy Supported) Rys. 2 Widok ogólny przewodów typu ACSR oraz ACCAS z wielowarstwowymi rdzeniami 72

7 XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r. Podsumowując, głównymi cechami charakteryzującymi nowe rozwiązanie są: zamiana rdzenia stalowego na wysokowytrzymały i wysoko przewodzący rdzeń wykonany ze stopów miedź-srebro, zamiana drutów aluminiowych w stanie twardym na druty aluminiowe w stanie miękkim, maksymalna redukcja wolnej przestrzeni wewnątrz przewodu w przypadku zastosowania drutów profilowych. Możliwe jest także zastosowanie na warstwy zewnętrzne przewodu drutów ze stopów aluminium w celu podwyższenia własności mechanicznych przewodu (kosztem nieznacznego obniżenia przewodności elektrycznej przewodu). Na rys. 2 przedstawiono zestawienie konstrukcji przewodów wielowarstwowych typu tradycyjnego, tj. ACSR oraz proponowane konstrukcje ACCAS nowego typu. Druty tworzące ze stopów Cu-Ag rdzeń przewodu, pokryte są specjalną powłoką antykorozyjną. Kształtowanie własności wytrzymałościowych i elektrycznych stopów Cu-Ag na rdzenie przewodowe W celu uzyskania materiału wsadowego do produkcji drutów tworzących wysokowytrzymałe i wysoko przewodzące rdzenie przewodowe, przeprowadzono badania nad stopowaniem miedzi i srebra, a także nad obróbką cieplno-mechaniczną stopu w taki sposób, aby w maksymalnym stopniu wykorzystać synergię działania Cu i Ag. Materiał do badań w postaci prętów o średnicy 9,5 mm ze stopów Cu-5%wag. Ag i Cu- 15% wag. został uzyskany przy wykorzystaniu laboratoryjnej instalacji do ciągłego topienia i odlewania (Wydział Metali Nieżelaznych AGH), składającej się z układu zasilania i sterowania, indukcyjnego pieca topielnego, układu krystalizatora, układów chłodzenia pierwotnego i wtórnego oraz układu wyciągającego (walcarki duo). Tygle oraz krystalizatory wykorzystane do odlewów wykonane były z czystego grafitu, natomiast odlewanie przeprowadzono w atmosferze ochronnej, którą stanowił azot [3]. W tabeli 1 zamieszczono własności mechaniczne i elektryczne w/w stopów w stanie po odlaniu. W tabeli 2 zestawiono parametry wytrzymałościowo-elektryczne odlewów CuAg5 i CuAg15 poddanych obróbce wstępnej cieplnej. Tabela 1. Porównanie własności mechanicznych i elektrycznych odlewów ze stopów Cu-Ag Materiał g/cm 3 HB R m, MPa R 0,2, MPa, MS/m %IACS CuAg5 8, ,5 87,2 CuAg15 9, ,6 80,4 Tabela 2. Własności wytrzymałościowe i elektryczne odlewów Cu-Ag poddanych wstępnej obróbce cieplnej Materiał R m, MPa, MS/m %IACS CuAg5 po obróbce cieplnej ,1 93,1 CuAg15 po obróbce cieplnej ,6 94,1 Mikrostruktury na przekroju wzdłużnym drutów uzyskanych ze stopów CuAg5 i CuAg15 zamieszczone na rys. 3 przedstawiają stan strukturalny po dużym odkształceniu plastycznym. Odpowiednio dobrana sekwencja oraz temperatura i czas zabiegów obróbki cieplnomechanicznej stopów umożliwiła uzyskanie finalnej struktury dwufazowej swoistego kompozytu Cu-Ag, czyli struktury bardzo licznych, cienkich, występujących na przemian silnie wydłużonych wydzieleń srebra i miedzi zapewniających bardzo duży przyrost umocnienia materiałów. Równocześnie, wydzielenie z osnowy miedzianej cząstek srebra 73

8 T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych oraz cząstek miedzi z osnowy srebra istotnie wpłynęło na zachowanie wysokiej przewodności elektrycznej drutów. Druty o odkształceniu rzeczywistym ok. 6 posiadają ponad 3-krotnie wyższą wytrzymałość na rozciąganie przy jednocześnie przewodności elektrycznej takiej samej, jaką wykazywały pręty w stanie po odlaniu. Druty o średnicy finalnej równej 0,1 mm i odkształceniu rzeczywistym równym 9 w skali logarytmicznej, w zależności od zastosowanych parametrów procesu wytwarzania, osiągnęły wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1250 MPa przy jednoczesnej przewodności elektrycznej wynoszącej powyżej 40 MS/m (CuAg15), lub R m >1100 MPa przy γ > 46 MS/m (CuAg5). Tabela 3 Własności wytrzymałościowe i elektryczne drutów ze stopów Cu-Ag Materiał ln R m, MPa % IACS CuAg CuAg W tabeli 3 zestawiono zakresy własności wytrzymałościowych i elektrycznych drutów o odkształceniu rzeczywistym 5 7 uzyskane na drodze przeróbki plastycznej połączonej z międzyoperacyjną obróbką cieplną. Rys. 3 Mikrostruktury SEM drutów ze stopów CuAg5 (z lewej) oraz CuAg15 (z prawej) po odkształceniu rzeczywistym rz =6 Obecnie prowadzone są dalsze badania nad doskonaleniem kompozycji chemicznej stopów Cu-Ag w celu ograniczenia zawartości srebra (czynnik ekonomiczny) oraz doboru najbardziej korzystnych parametrów przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, pozwalających na otrzymanie drutów o zespole możliwie najwyższych własności wytrzymałościowych i elektrycznych. 74

9 Druty z aluminium (miedzi) XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r. Analiza porównawcza parametrów technicznych przewodów Poniżej przedstawiono krótką analizę porównawczą proponowanych przewodów w odniesieniu do istniejących na rynku rozwiązań alternatywnych. Szczegółową analizę parametrów technicznych przewodów o przekroju części roboczej ok. 240 mm 2 zestawiono w tabeli4 [1-2]. Na potrzeby przeprowadzenia analizy porównawczej przewody ACCAS zostały wyposażone w rdzenie wykonane ze stopu CuAg5. Tabela 4. Szczegółowe parametry techniczne przewodów o przekroju poprzecznym 240mm 2 _cz.i AFL ACCC ACCR Typ przewodu (ACSR TACSR ACCAS T16 Hawk (shaped (Hawk CC ) wires) 477) Pole przekroju poprzecznego części aluminiowej (miedzi -7) , ,5 [mm 2 ] Liczba warstw/drutów II-10 III-16 II-10 III-16 II-10 III-16 II-8 III-12 II-10 III-16 I-1 II-6 III-12 IV-18 V-24 Średnica drutu [mm] ,25 Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Wydłużenie przy zerwaniu [%] Rezystywność [nωm] ,24 Współczynnik temperaturowy rezystancji [K -1 ] ,004 Gęstość [g/cm 3 ] ,92 Współczynnik rozszerzalności liniowej [K -1 ] , Norma IEC 889 IEC ASTM B ASTM B DIN

10 Przewód Rdzeń T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych Tabela 4. Szczegółowe parametry techniczne przewodów o przekroju poprzecznym 240mm 2 _cz.ii Typ przewodu ACCR AFL ACCAS ACCC 235 TACSR 470-T16 (ACSR 240 (shaped 240 (Hawk Hawk 477) wires) 477) CC 240 Średnica zewnętrzna rdzenia [mm] Pole przekroju poprzecznego rdzenia [mm 2 ] , Liczba warstw/drutów rdzenia R -1 R - 1 R - 1 R -1 R -1 I - 6 I - 6 I - 6 I Średnica drutu [mm] , Materiał steel steel alloy Cu- Ag CTC core MMC - Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Wydłużenie przy zerwaniu [%] , Naprężenie przy 1% odkształceniu [MPa] Rezystywność [nωm] nil Współczynnik temperaturowy rezystancji [K -1 ] Gęstość [g/cm 3 ] , Współczynnik rozszerzalności liniowej [K ] Norma IEC 888 IEC Tabela 4. Szczegółowe parametry techniczne przewodów o przekroju poprzecznym 240mm 2 _cz.iii Typ przewodu AFL ACCR ACCAS ACCC 235 (ACSR TACSR 470-T (shaped Hawk 240 (Hawk wires) 477) 477) CC 240 Średnica zewnętrzna przewodu [mm] ,2 Całkowite pole przekroju poprzecznego przewodu [mm 2 ] , ,5 Rezystancja [Ω/km] , ,0753 Masa liniowa [kg/km] Nominalna siła zrywająca [kn] , ,2 Moduł sprężystości podłużnej [GPa] 74.6/- 74.6/ /100 76,1/117 77,5/ Współczynnik wydłużenia cieplnego [K -1 ] / / / /

11 sag, m Natężenie prądu, A XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r ACSR TACSR ACCC ACCR ACCAS CC Temperatura przewodu, o C Rys. 4. Obciążalność prądowa różnych typów przewodów wysokotemperaturowych w różnych temperaturach with prestressing 10 9 without prestressing without prestressing ACSR SAG LIMIT TACSR ACCR ACCAS ACSR Temperature, o C Rys. 5. Zależność zwisu od temperatury różnych typów przewodów wysokotemperaturowych Wszystkie z analizowanych przewodów mają zbliżone średnice zewnętrzne z wyjątkiem przewodu ACCC z drutami segmentowymi oraz przewodu miedzianego bez rdzenia, które mają istotnie mniejszą średnicę. Ciężar przewodu miedzianego jest ponad dwukrotnie wyższy niż pozostałych przewodów, co oznacza wobec równania (1), że konieczne jest przyłożenie dwukrotnie większego naprężenia niż w innych przewodach w celu nadania podobnego zwisu. Najlżejszy jest przewód ACCC, a ACCAS i TACS i ACSR mają podobne ciężary objętościowe. Co oczywiste, najniższą rezystancję liniową ma przewód miedziany, następny w kolejności jest proponowany ACCAS. Pozostałe rozwiązania mają zdecydowanie wyższą rezystywność. Znajduje to pełne przełożenie na wartości obciążalności prądowej ukazane na rys. 4. Warto przy tym zauważyć, że przy obciążalności 650A (znamiennej dla ACSR) jedynie przewody CC i ACCAS posiadają analogiczną obciążalności przy zdecydowanie niższej temperaturze tj. 58 o C CC i 68 o C ACCAS. Pozostałe rozwiązania posiadają zbliżone temperatury robocze do tradycyjnego ACSR. Powyższa obserwacja znajduje odzwierciedlenie w kalkulacji strat przesyłu energii, ukazanych na rys Ponieważ z uwagi na wysoki ciężar CC nie jest stosowany w liniach ACCAS oferuje 30% zmniejszenie strat przesyłu co przy cenie energii 5 eurocentów na kwh daje oszczędność blisko 2 tys. euro/rok/km/faza. CC ACCC 77

12 transmission losses cost per year [k /km] transmission losses [kw/km] T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych Przy rozpatrywaniu analogicznego przypadku obciążalności prądowej 860A (obciążalność TACSR) oszczędność związana z ACCAS jest jeszcze większa i wynosi ok. 5 tys. euro/km/rok/faza ,4 18,8 17,3 18,2 14,3 10,9 ACSR TACSR ACCAS ACCR CC ACCC conductor type ,1 8,2 7,6 8,0 6,3 4,8 ACSR TACSR ACCAS ACCR CC ACCC conductor type Rysunek 6. Straty przesyłu wyrażone w kw/km oraz w ke/ km dla prądu I=650A Znając wartość surowców wykorzystanych do wytwarzania przewodu ACCAS 240 (Al ok 640 kg/km, Cu ok.344kg/km i Ag ok. 26kg/km) wynoszącą ok. 24 tys. euro/km oraz koszt fabrykacji ok 6 tys. euro/km można stwierdzić, że koszt przewodu ACCAS jedynie z tytułu oszczędności na stratach przesyłu zwraca się po ok. 6 latach, pomimo faktu, że cena jednostkowa przewodu jest kilkukrotnie wyższa niż cena ACSR. Na koniec przeanalizujmy zwisy ukazane na rys. 5. Założono, że wszystkie przewody są instalowane z samym zwisem początkowym. Czerwona linia reprezentuje interesujący nas przewód ACCAS. Ponieważ do jego wytworzenia użyto miękkiego aluminium przewód ten można łatwo przedprężyć podczas instalacji, podobne jak ACSS. Powoduje to, że punkt załamania charakterystyki zwis-temperatura pojawiają się w niższej temperaturze. Widzimy, że zwisy proponowanego przewodu ACCAS są podobne do innych rozwiązań. W wysokich temperaturach przyrost zwisu jest większy niż w ACCR czy ACCC, ponieważ rdzeń na bazie miedzi w przewodzie ACCAS ma większy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż rdzenie kompozytowe. Mimo to zwis graniczny ACCAS jest niższy niż TACSR, ale równocześnie nieznacznie większy, niż limit wynikający z zastosowania przewodu tradycyjnego ACSR. 78

13 transmission losses cost per year [k /km] transmission losses [kw/km] XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r ,2 39,1 35,8 28,7 TACSR ACCAS ACCR ACCC conductor type ,6 17,1 15,7 12,6 TACSR ACCAS ACCR ACCC conductor type Rys. 7.Straty przesyłu wyrażone w kw/km oraz w ke/ km dla prądu I=860A Podsumowanie Materiały oraz technologie przetwarzania ich na druty i przewody, z uwagi na ich uniwersalny charakter i powszechne zastosowanie w wielu dziedzinach życia, nieustannie pozostają w centrum zainteresowania wiodących ośrodków badawczych oraz największych zakładów produkcyjnych na całym świecie. Wysokie światowe standardy dotyczące jakości, bezpieczeństwa, ochrony zdrowia oraz użytkowania i recyclingu przekładają się na projektowanie rozwiązań materiałowych, które przy minimalizacji kosztów produkcji, poprzez innowacyjne technologie wytwarzania i przetwarzania materiału na wyrób, są w stanie zapewnić wymagany poziom własności mechanicznych i elektrycznych. Stopy Cu-Ag są specyficznym materiałem ze względu na możliwość kształtowania zespołu wysokich właściwości wytrzymałościowych i elektrycznych. Poprzez zastosowane różnych wariantów połączonych zabiegów przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej stopu możliwie jest uzyskanie drutów o zespole ponadstandardowych własności wytrzymałościowych i elektrycznych. Istotną nowością jest opracowanie zintegrowanej technologii obejmującej proces ciągłego topienia i odlewania prętów oraz proces ciągnienia ich na druty przy wykorzystaniu międzyoperacyjnej obróbki cieplnej w celu podwyższenia własności wytrzymałościowych i elektrycznych wyrobu. 79

14 T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych Stwierdzono istotny wpływ wielooperacyjnej obróbki cieplno-mechanicznej na zmianę mikrostruktury oraz własności mechaniczne i elektryczne drutów ze stopów Cu-Ag. Modyfikacja pierwotnej struktury odlewniczej przyczynia się do uzyskania struktury kompozytowej bardzo licznych, silnie wydłużonych włókien srebra w osnowie miedzi. Przy sumarycznym odkształceniu rzeczywistym materiału równym 6, liczne, równomiernie występujące w całej objętości pasma srebra, których finalna średnica nie przekracza nm (najcieńsze włókna posiadają szerokość kilku kilkunastu nanometrów) tworzą swojego rodzaju fazę zbrojącą, wybitnie podwyższającą (poprzez liczne granice ziaren oraz spiętrzenia dyslokacyjne) własności wytrzymałościowe stopu. Równocześnie, odpowiednia obróbka cieplno-mechaniczna stopu zapewnia optymalne wydzielenie srebra z osnowy miedzianej, przez co powstały swoisty układ równoległych połączeń miedź-srebro przyczynia się do uzyskania również relatywnie wysokiej przewodności elektrycznej drutów. Zaproponowana nowa koncepcja przewodów elektroenergetycznych zbudowanych ze rdzenia z drutów ze stopów Cu-Ag oraz warstw zewnętrznych z aluminium w stanie miękkim, może stanowić ciekawą alternatywę dla obecnie stosowanych materiałów dla systemów dystrybucji energii elektrycznej. Ze względu na stosunkowo wysoką przewodność elektryczną wysokowytrzymałych drutów ze stopów Cu-Ag stanowiących rdzeń przewodów możliwe jest podniesienie temperatury roboczej do 150 C w warunkach istotnie podwyższonej obciążalności prądowej w porównaniu do obecnie stosowanych typów przewodów. W zależności od zastosowanego typu przewodu pozwala to na możliwość obniżenia do 40 % całkowitych strat przesyłu energii elektrycznej. Bibliografia [1] Knych T., Kawecki A., Mamala A., Kwaśniewski P., Kiesiewicz G., Smyrak B., Sieja-Smaga E., High Strength and High Conductivity Copper-Silver Wires and their Advanced Applications, GDMB 71th Copper Committee Meeting 2012, , Barcelona, materiały konferencyjne [2] Knych T., Kawecki A., Mamala A., Kwaśniewski P., Smyrak B., Kiesiewicz G.,The latest idea of high temperature overhead line conductors with lower energy transmission losses, (WAI) Wire Expo, , Dallas, USA, w druku [3] Knych T., Blicharski M., Kawecki A., Mamala A., Kwaśniewski P., Smyrak B., Kiesiewicz G., Badania nad otrzymywaniem mikrodrutów ze stopów Cu-Ag o bardzo wysokich własnościach mechanicznych i elektrycznych, Międzynarodowa konferencja "Metalurgia miedzi, , Kraków, Rudy i metale, R.57, [4] Krajowe zgłoszenie patentowe nr: P Przewód do elektroenergetycznych linii napowietrznych [5] Community Designs, Office for Harmonization in the Internal Market OHIM (Trade Marks and Designs): [6] Wzór nr Power overhead line conductor. Single-layer round wires [7] Wzór nr Power overhead line conductor. Double-layer round wires [8] Wzór nr Power overhead line conductor. Multi-layer round wires [9] Wzór nr Power overhead line conductor. Single-layer shaped wires [10] Wzór nr Power overhead line conductor. Double-layer shaped wires [11] Wzór nr Power overhead line conductor. Multi-layer shaped wires 80

15 XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL 2013 Zakopane, marca 2013 r. New generation of overhead line conductors with reduced energy transmission losses The paper presents a new idea of the overhead conductors with new special cores. The new high conductivity and high strength cores are made from Cu-Ag wires aluminium wires. The described type of conductors has an operating temperature limit up to 150 o C and makes it possible to increase the current capacity of conductors in comparison with HTLS conductors used now. The new idea of conductors may limit transmission losses by up to 40%. Podziękowania Przedstawione w artykule badania są współfinansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Priorytet 1Badania i Rozwój Nowoczesnych Technologii, Działanie 1.3 Wsparcie Projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe, Poddziałanie Projekty rozwojowe. Badania są prowadzone w ramach Projektu pt.: Zaawansowane technologie wytwarzania materiałów funkcjonalnych do przewodzenia, przetwarzania, magazynowania energii, Zadanie1.6 pt: Nowe rodzaje funkcjonalnych miedzi stopowych o wysokiej wytrzymałości i przewodności elektrycznej przeznaczonych dla elektroenergetyki i elektroniki", Umowa z OPI nr POIG /09-00 z dnia

16 T. Knych i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych 82